2015第3章可靠性设计1.

ReliabilityDesign可靠性是产品质量的重要指标之一。现代优质产品主要是功能好、可靠性高。为了提高机械产品的可靠性。首先，必须在设计上满足可靠性要求。为此，要求机械设计人员在掌握常规机械设计方法的基础上，必须掌握机械可靠性设计的基本理论和方法，从而设计出性能好、可靠性高的现代机械产品。但可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及3.1概述3.2可靠性设计常用指标3.3可靠性设计中常用分布函数3.4机械强度可靠性设计3.5疲劳强度可靠性分析3.6系统可靠性设计3.1.1可靠性的概念3.1.2可靠性科学的发展3.1.3可靠性设计的基本内容3.1.4可靠性设计的特点返回章目录追溯到二次世界大战期间。美国空军因飞行故障事故而损失的飞机达21000架，比被击落的多1.5倍；美国运往远东作战飞机上的电子设备，经运输后有60%不能使用，在存储期间有50%失效；电子设备在使用中故障率很高，难以维护。1943年，美国正式投入可靠性研究，最初主要研究真空管，因为它是设备发生故障的关键，后来生产出R很高的真空管，但系统的故障并没有排除。因此，不能只研究单个零件的R，还必须研究整个系统的R51944年，德国试制V-2火箭袭击伦敦，有80枚还没起飞就在起飞台上爆炸，提出火箭可靠度是所有元器件可靠度的乘积，最早的系统可靠性概念650年代，可靠性理论研究开始起步。美国军用雷达因故障不能工作时间达84%，陆军的电子设备在规定时间内有65~75%因故障不能使用，美国从此开始可靠性系统研究工作。1952年美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询小组”。1957年发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了再生产、试制过程中产品可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，以及包装、储存、运输过程中的R问题及要求。至此，可靠性理论研究开始起步，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科760年代，产品趋向复杂，工作环境条件严酷，对可靠性的要求越来越高。可靠性技术从电子行业迅速推广到其它工业部门，从阿波罗飞船到洗衣机、汽车、电视，都应用了R设计技术和R管理技术1961年的Apollo-II号飞船，有720万个零件，42万人参加研制。860年代末，70年代初，美国编制了一系列可靠性规范，可靠性理论趋于成熟，70年代末，可靠性研究工作在世界范围内已达到了成熟期日本于1956年从美国引进可靠性技术，普及开展了R研究。R工程在日本的民用产品上应用非常成功日本的汽车、家用电器等，1969年是一个转折点，日本汽车遭到大量退货，对日本汽车行业震动很大，以此为转机，汽车工业对R更加关注。9我国于60年代末70年代初开始可靠性研究。最早研究的是航天工业部705所，电子工业部四所、五所等。汽车工业80年代后才开始可靠性的工作1983-1984年，汽车工业组织了规模空前的汽车可靠性试验（试验车辆53台，总里程36万公里），结果显示，国产汽车的MTBF仅为500-1000km（而国外先进水平可达1万km以上）101990年我国机械电子工业部印发的《加强机电产品设计工作的规定》中指出：可靠性、适应性、经济性三性统筹作为我国机电产品设计的原则。在新产品的鉴定定型时，必须要有产品可靠性设计资料和试验报告，否则不能通过鉴定。现今可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是我国工程技术人员掌握现代设计理论和方法所必须掌握的重要内容之一。上午2时31分22秒11可靠性研究的意义：1)提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生，尤其是避免灾难性的事故发生。1.挑战者号失事的直接原因是旨在防止喷气燃料燃烧时的热气从联接处泄露的密封圈遭到了破坏，这是导致航天飞机失事的直接技术原因。2.在航天飞机设计准则明确规定了推进器运作的温度范围，即40°F--90°F，而在实际运行时，整个航天飞机系统周围温度却是处于31°F-99°F的范围。3.所有的橡胶密封圈从来没有在40°F以下测验过，这主要是因为这种材料是用来承受燃烧热气的，而不是用来承受冬天里发射时的寒气的，而当时挑战者“发射的时间却正好是在寒冷的冬天。1984年12月，美国联合碳化物公司设在印度的一个农药厂，由于地下毒气罐阀门失灵造成了3000人死亡的严重事故；返回节目录2）3）可靠性的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性标志着产品不会丧失工作能力的可靠程度（它反映了产品工作性能稳定的程度）。上午2时31分22秒16例：就汽车而言就是说汽车在正常的驾驶和道路条件下，一定时间或行驶里程内能保证正常行驶的程度。它包含四个要素：（１）产品产品即为可靠性的研究对象，它可以是系统、整机、部件，也可以是组件、元件或零件等。上午2时31分22秒17例：汽车板簧、汽车发动机、汽车整车等例：就汽车而言就是说汽车在正常的驾驶和道路条件下，一定时间或行驶里程内能保证正常行驶的程度。（２）规定的条件它包括使用时的：环境条件（如温度、湿度、气压等）；工作条件（如振动、冲击、噪音等）；动力、负荷条件（如载荷、供电电压等）；储存条件、使用和维护条件等。“规定的条件”不同，产品的可靠性也不同。上午2时31分22秒18比如汽车的使用条件：包括道路条件（平原、山地、丘陵）、气候条件（热带、寒带等）、维修保养水平、驾驶员的水平等。使用条件不同，零件的可靠度就不同。离开了规定的条件，靠度分析就失去了分析基础（３）规定的时间时间是表达产品可靠性的基本因素，也是可靠性的重要特征。一般情况下，产品“寿命”的重要量值“时间”是常用的可靠性尺度。一般说来，产品的可靠水平是随着使用时间的增长而降低。时间愈长，故障（失效）愈多。“规定的时间”可代表广义的计时时间，也可因研究对象的不同而采用诸如次数、周期或距离等相当于寿命的量。上午2时31分22秒20例如：滚动轴承的工作期限用小时，车轮的工作期限用行车公里数，齿轮的寿命用应力循环次数。车门、雨刮器、回转轴等采用次数。（４）规定的功能——在规定的使用条件下正常运行它是指表征产品的各项技术指标，如仪器仪表的精度、分辨率、线性度、重复性、量程等。不同的产品其功能是不同的，即使同一产品，在不同的条件下其规定功能往往也是不同的。上午2时31分22秒21产品应在规定的功能参数范围内运行，丧失了规定的功能，称“失效”例如：发动机熄火，发动机工作不平稳，功率下降等。注意：若产品工作时的功能参数已漂移到规定的界限之外，即使仍能正常运行，也属于不正常工作而视为“失效”。如6缸发动机只有2缸工作，汽车仍可以正常运行，也认为发动机发生故障。22能力-用概率表示23提问：是否产品的可靠性越高越好，是否作业对象的工作期限越长越好？24产品的可靠性可分为：固有可靠性、使用可靠性和环境适应性三个方面。固有可靠性是指产品在设计、生产中已确立的可靠性，它是产品内在的可靠性，是生产厂家模拟实际工作条件进行检测并给以保证的可靠性。固有可靠性与产品的材料、设计与制造技术有关。使用可靠性是产品在使用中的可靠性，它与产品的运输、储藏保管以及使用过程中的操作水平、维修状况和环境等因素有关，所有这些与使用相关的可靠性称为使用可靠性。一般可以将产品的可靠性近似看作固有可靠性和使用可靠性的乘积。据国外统计资料表明：●电子设备故障原因中属于产品固有可靠性部分占了80%：其中设计技术占40%，器件和原材料占30%，制造技术占10%；●属于产品使用可靠性部分占20%，其中现场使用占15%。上午2时31分22秒25可靠性科学是研究产品失效规律的学科。由于影响失效的因素非常复杂，有时甚至是不可捉摸的，因而产品的寿命（即产品的失效时间）只能是随机的。对此，只有用大量的试验和统计办法来摸索它的统计规律，然后再根据这个规律来研究可靠性工作的各个方面。因此，应用概率论与数理统计理论，对产品的可靠性进行定量计算，是可靠性理论基础。返回节目录26可靠性学科是一门综合运用多种学科知识的工程技术学科，该领域主要包括以下三方面的内容：1)可靠性设计它包括：设计方案的分析、对比与评价，必要时也包括可靠性试验、生产制造中的质量控制设计及使用维护规程的设计等。2)可靠性分析它主要是指失效分析，也包括必要的可靠性试验和故障分析。这方面的工作为可靠性设计提供依据，也为重大事故提供科学的责任分析报告。3)可靠性数学这是数理统计方法在开展可靠性工作中发展起来的一个数学分支。27(1)根据产品的设计要求，确定所采用的可靠性指标及其量值。(2)进行可靠性预测。可靠性预测是指：在设计开始时，运用以往的可靠性数据资料计算机械系统可靠性的特征量，并进行详细设计。在不同的阶段，系统的可靠性预测要反复进行多次。(3)对可靠性指标进行合理的分配。首先，将系统可靠性指标分配到各子系统，并与各子系统能达到的指标相比较，判断是否需要改进设计。然后，再把改进设计后的可靠性指标分配到各子系统。按照同样的方法，进而把各子系统分配到的可靠性指标分配到各个零件。(4)把规定的可靠度直接设计到零件中去。上午2时31分22秒28传统机械设计传统的机械设计采用确定的许用应力法和安全系数法研究、设计机械零件和简单的机械系统。许用应力许用安全系数nlimnnlim安全系数设计法虽然简单、方便，并具有一定的工程实践依据等特点，但没有考虑材料强度和应力它们各自的分散性，以及许用安全系数[n]的确定具有较大的盲目性和经验性，这就使得安全系数n大于1的情况下，机械零部件仍有可能失效，或者因安全系数n取得过大，造成产品的笨重和浪费因为在设计中把影响零件工作状态的设计变量，如应力、强度、安全系数、载荷、零件尺寸、环境因素等都处理成确定的数据，是它们的平均值，没有考虑数据的分散性。为了保证机械的可靠性，往往对计算载荷、选用的强度等分别乘以各种系数，例如载荷系数、尺寸系数等最后还考虑安全系数。这是人们对这些因素的随机变化所作的经验估计。同时表明对这些变化情况无法进行精确计算，只好将机械的尺寸、重量等作经验的但又不精确的放大。应力强度不同点在机械可靠性设计中，将设计应力和强度（抗拉强度、屈服强度、疲劳强度等机械性能以及包括考虑零部件尺寸、表面加工情况、结构形状和工作环境等内在的影响强度的各种要素），都视为属于某种概率分布的统计量（变量）传统设计与可靠性设计的最大不同之处：31如果引起零件失效的一方，简称为“应力”，用y表示。例应力、载荷、变形等（广义应力）◦影响失效的各项因素有：力的大小、力的作用位置、应力集中与否、环境因素等。若抵抗失效能力的一方，简称为“强度”，用x表示。例许用载荷、许用应力、许用变形等（广义强度）◦影响零件强度的各项因素有：材料性能、表面质量、零件尺寸等。32干涉区33•相同点：都是以零件或机械系统的安全与失效为其研究内容。其核心内容是针对所研究对象的失效和防失效问题，建立起一整套设计计算理论和方法。34表示零件处于安全状态0sr0sr表示零件处于失效状态0sr表示零件处于极限状态传统和可靠性设计的共同设计原理（依据）可表示为1212(,,)(,,)=rnnsfsssgrrrnsss,,21表示影响失效的各项因素，如力的大小、力的作用位置、应力集中与否、环境因素等nrrr,,21表示影响零件强度的各项因素，如材料性质、表面质量、零件尺寸等不同点：1.设计变量处理方法的不同传统设计：把影响零件工作状态的设计变量，如应力、强度、安全系数、载荷、零件尺寸、环境因素等，都处理成确定性的单值变量。而描述状态的数学模型，即变量与变量之间的关系，可通过确定性的函数进行单值变换。这种把设计变量处理成单一确定值的方法，称为确定性设计法。可靠性设计：把设计中涉及的变量，都处理成多值的随机变量。它们都服从一定的概率分布。这些变量间的关系，可通过概率函数进行多值变换，得到应力s和强度r的概率分布。这种运用随机方法对设计变量进行描述和运算的方法，称为非确定性概率设计方法。图11—2表示了这种非确定性概率设计法模